CN111740215A - 自相移馈电的小型化耦合多频段螺旋天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种自相移馈电的小型化耦合多频段螺旋天线，包括：外侧直馈螺旋臂、内侧耦合螺旋臂和自相移馈电网络；所述外侧直馈螺旋臂和内侧耦合螺旋臂相互耦合，以实现多频段谐振，所述自相移馈电网络连接外侧直馈螺旋臂，以提供圆极化顺序相位。本发明利用螺旋臂内外、上下间的耦合实现多频段谐振，天线结构紧凑、辐射效率高、制造成本低，可以覆盖GPSL1频段、北斗B1频段和S频段、GLONASSL1频段，适合应用在小型化的卫星导航移动终端设备中。

Description

自相移馈电的小型化耦合多频段螺旋天线
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种自相移馈电的小型化耦合多频段螺旋天线，尤其适用于卫星导航终端。
背景技术
全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）精确的定位服务和短报文通信功能在政治、经济、军事等领域发挥重要作用，天线作为传输电磁能量的介质是卫星导航系统中不可或缺的重要组成部分。四臂螺旋天线拥有不依赖参考地的独特优势，故结构设计紧凑，通过调整其螺距半径比和缠绕圈数可以获得不同赋形的圆极化辐射方向图，因此广泛用于卫星导航终端设备中，随着终端设备朝着智能化、便携式的方向不断发展，四臂螺旋天线的小型化也成为研究的热点。
四臂螺旋天线的尺寸主要由螺旋臂和馈电网络决定，因此要想实现四臂螺旋天线的小型化就必须同时优化螺旋臂和馈电网络的结构。螺旋臂的长度决定天线的谐振频率，通常终端开路的螺旋臂的长度为四分之一波长的整数倍，因此，在保证天线辐射效率的同时有效压缩螺旋臂的结构是实现小型化的关键。此外，馈电网络为中心对称的螺旋臂提供圆极化所需的顺序相位，复杂的馈电网络是导致底板尺寸大的主要原因，所以，在保证阻抗匹配良好的基础上简化馈电网络的结构，是实现四臂螺旋天线小型化的一大难点。
发明内容
本发明对以上两大技术难点进行重点研究，提出一种主要应用于卫星导航终端的自相移馈电的小型化耦合多频段螺旋天线，覆盖GPSL1频段、北斗B1频段和S 频段、GLONASSL1频段，在天线小型化的基础上实现多频谐振，不仅拥有良好的定向性和辐射效率，而且有效利用天线的内部空间，适合应用于小型化的移动终端设备中。
本发明具体采用以下技术方案：
一种自相移馈电的小型化耦合多频段螺旋天线，其特征在于，包括：外侧直馈螺旋臂、内侧耦合螺旋臂和自相移馈电网络；所述外侧直馈螺旋臂和内侧耦合螺旋臂相互耦合，以实现多频段谐振，所述自相移馈电网络连接外侧直馈螺旋臂，以提供圆极化顺序相位。
优选地，其介质板为中空的立体结构，包括：侧面介质基板、外螺旋顶层介质基板、内螺旋顶层介质基板、内螺旋底层介质基板和外螺旋底层介质基板；
所述外侧直馈螺旋臂印制在介质板外表面，由双臂螺旋正交组合而成；
所述内侧耦合螺旋臂印制在介质板内表面，在侧面介质基板外表面的部分由双臂螺旋正交组合而成，在内螺旋顶层介质基板和内螺旋底层介质基板外表面的部分呈正交的埃及斧状；
所述自相移馈电网络印制在内螺旋底层介质基板和外螺旋底层介质基板上，由上下对称的四分三圆环构成，作为上层自相移环和下层自相移环，同轴馈线的内外芯分别连接上层自相移环和下层自相移环。
优选地，所述介质板的形状为方形筒、圆柱形筒或多边棱柱筒，材质为FR4板材、Rogers板材或联茂板材。
优选地，所述外侧直馈螺旋臂的螺旋臂输入端在外螺旋底层介质基板上连接下层自相移环，螺旋臂终端在外螺旋顶层介质基板上短路正交连接。
优选地，所述内侧耦合螺旋臂在侧面介质基板上的部分与外侧直馈螺旋臂的形状相同且背向设置。
优选地，通过侧面介质板的厚度或螺旋臂的斜率控制外侧直馈螺旋臂和内侧耦合螺旋臂之间的耦合强度。
优选地，所述外侧直馈螺旋臂和内侧耦合螺旋臂的形状为曲流状臂、渐变臂或阶梯臂。
优选地，所述内侧耦合螺旋臂的顶部和底部均采用短路正交的方式进行连接，以顶部结构为例，双臂螺旋正交连接形成的十字交叉结构基础上，延着内顶部介质板的边缘向里缠绕，变形成为关于中心对称的埃及斧状结构。
进一步地，正交的埃及斧状结构的臂宽可以是相同的，也可以是不同的。
进一步地，内部的上下层介质板与外部螺旋天线的上下层介质板的间距可以等距的，也可以是不等距的。
优选地，所述上层自相移环和下层自相移环为圆形环、方形环或多边形环。
相较于现有技术，本发明及其优选方案具有以下优势：充分利用天线的内部空间，通过上下、内外螺旋臂间的耦合实现多频谐振，在小型化的基础上满足天线多频段定向辐射的需求；外侧螺旋臂的终端正交短路设计和内部螺旋臂的终端正交埃及斧结构展宽了天线的阻抗带宽和轴比带宽。该天线尺寸可为29 mm×29mm×35.5mm。该天线定向辐射效率高、结构紧凑，宽带性能突出满足多频谐振需求，适合应用在移动终端设备中。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例构造的立体示意图；
图2为本发明实施例的正视示意图；
图3为本发明实施例的俯视示意图；
图4为本发明实施例的仰视示意图；
图5为本发明实施例的低频反射系数仿真结果示意图；
图6为本发明实施例的高频反射系数仿真结果示意图；
图7为本发明实施例的低频圆极化轴比带宽仿真结果示意图；
图8为本发明实施例的高频圆极化轴比带宽仿真结果示意图；
图9为本发明实施例在北斗B1频段的右旋辐射方向示意图；
图10为本发明实施例在GPS L1频段的右旋辐射方向示意图；
图11为本发明实施例在GLONASSL1频段的右旋辐射方向示意图；
图12为本发明实施例在北斗S频段的右旋辐射方向示意图；
图中：1-侧面介质基板；2-外螺旋顶层介质基板；3-外螺旋底层介质基板；4-内螺旋顶层介质基板；5-内螺旋底层介质基板；6-外侧直馈螺旋臂；7-内侧耦合螺旋臂；8-顶层正交短路螺旋臂；9-底层正交短路螺旋臂；10-顶层正交埃及斧状螺旋臂；11-底层正交埃及斧状螺旋臂；12-上层自相移环；13-下层自相移环；14-同轴线外芯；15-同轴线内芯。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
如图1-图5所示，本实施例提供的自相移馈电的小型化耦合多频段螺旋天线包括：侧面介质基板1；外螺旋顶层介质基板2；外螺旋底层介质基板3；内螺旋顶层介质基板4；内螺旋底层介质基板5；外侧直馈螺旋臂6；内侧耦合螺旋臂7；顶层正交短路螺旋臂8；底层正交短路螺旋臂9；顶层正交埃及斧状螺旋臂10；底层正交埃及斧状螺旋臂11；上层自相移环12；下层自相移环13；同轴线外芯14；同轴线内芯15。
如图1所示，螺旋天线的主体是由侧面介质基板1、外螺旋顶层介质基板2、外螺旋底层介质基板3、内螺旋顶层介质基板4、内螺旋底层介质基板5组成耦合结构的筒型螺旋天线；外侧直馈螺旋臂6和内侧耦合螺旋臂7分别印制在侧面介质基板1的外表面和内表面上；上层自相移环12印制在外螺旋底层介质基板3的上表面，与同轴线内芯15相接；下层自相移环13印制在外螺旋底层介质基板3的下表面，与同轴线外芯14相接。
如图3所示，顶层正交短路螺旋臂8印制在外螺旋顶层介质基板2；顶层正交埃及斧状螺旋臂10印制在内螺旋顶层介质基板4上表面。
如图4所示，底层正交短路螺旋臂9印制在外螺旋底层介质基板3；底层正交埃及斧状螺旋臂11印制在内螺旋底层介质基板5下表面。
在本发明实施例中，侧面介质基板1、外螺旋顶层介质基板2、外螺旋底层介质基板3、内螺旋顶层介质基板4、内螺旋底层介质基板5以电路板材成型；介质板材为FR4板材、Rogers板材或联茂板材。
在本发明实施例中，筒形螺旋天线的形状为方形筒、圆柱形筒或多边棱柱筒。
在本发明实施例中，外侧直馈螺旋臂6由双臂螺旋正交组合成，螺旋臂输入端连接自相移环，螺旋臂终端短路正交连接。
在本发明实施例中，内侧耦合螺旋臂7采用与外侧直馈螺旋臂6相似的双臂螺旋，通过侧面介质板的厚度或螺旋臂的斜率控制内外螺旋臂间的耦合强度。
在本发明实施例中，外侧直馈螺旋臂6和内侧耦合螺旋臂7的形状可采用曲流状臂、渐变臂、阶梯臂等各种形状。
在本发明实施例中，内侧耦合螺旋臂7的顶部和底部均采用短路正交的方式进行连接，以顶部结构为例，双臂螺旋正交连接形成的十字交叉结构基础上，延着内顶部介质板的边缘向里缠绕，变形成为关于中心对称的埃及斧状结构10。
在本发明实施例中，顶层正交埃及斧状螺旋臂10和底层正交埃及斧状螺旋臂11的臂宽可以是相同的，也可以是不同的。
在本发明实施例中，内部的上下层介质板与外部螺旋天线的上下层介质板的间距可以等距的，也可以是不等距的。
在本发明实施例中，上层自相移环12和下层自相移环13可以是圆形环，也可以是方形环、多边形环。
如图5-图12所示，提供了按照本实施方案设计的天线结构的仿真结果，证明本实施例方案能够实现所说的实现多频谐振，在小型化的基础上满足天线多频段定向辐射的需求。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的自相移馈电的小型化耦合多频段螺旋天线，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种自相移馈电的小型化耦合多频段螺旋天线，其特征在于，包括：外侧直馈螺旋臂、内侧耦合螺旋臂和自相移馈电网络；所述外侧直馈螺旋臂和内侧耦合螺旋臂相互耦合，以实现多频段谐振，所述自相移馈电网络连接外侧直馈螺旋臂，以提供圆极化顺序相位。
2.根据权利要求1所述的自相移馈电的小型化耦合多频段螺旋天线，其特征在于：其介质板为中空的立体结构，包括：侧面介质基板、外螺旋顶层介质基板、内螺旋顶层介质基板、内螺旋底层介质基板和外螺旋底层介质基板；
所述外侧直馈螺旋臂印制在介质板外表面，由双臂螺旋正交组合而成；
所述内侧耦合螺旋臂印制在介质板内表面，在侧面介质基板外表面的部分由双臂螺旋正交组合而成，在内螺旋顶层介质基板和内螺旋底层介质基板外表面的部分呈正交的埃及斧状；
所述自相移馈电网络印制在内螺旋底层介质基板和外螺旋底层介质基板上，由上下对称的四分三圆环构成，作为上层自相移环和下层自相移环，同轴馈线的内外芯分别连接上层自相移环和下层自相移环。
3.根据权利要求2所述的自相移馈电的小型化耦合多频段螺旋天线，其特征在于：所述介质板的形状为方形筒、圆柱形筒或多边棱柱筒，材质为FR4板材、Rogers板材或联茂板材。
4.根据权利要求2所述的自相移馈电的小型化耦合多频段螺旋天线，其特征在于：所述外侧直馈螺旋臂的螺旋臂输入端在外螺旋底层介质基板上连接下层自相移环，螺旋臂终端在外螺旋顶层介质基板上短路正交连接。
5.根据权利要求2所述的自相移馈电的小型化耦合多频段螺旋天线，其特征在于：所述内侧耦合螺旋臂在侧面介质基板上的部分与外侧直馈螺旋臂的形状相同且背向设置。
6.根据权利要求5所述的自相移馈电的小型化耦合多频段螺旋天线，其特征在于：通过侧面介质板的厚度或螺旋臂的斜率控制外侧直馈螺旋臂和内侧耦合螺旋臂之间的耦合强度。
7.根据权利要求5所述的自相移馈电的小型化耦合多频段螺旋天线，其特征在于：所述外侧直馈螺旋臂和内侧耦合螺旋臂的形状为曲流状臂、渐变臂或阶梯臂。
8.根据权利要求2所述的自相移馈电的小型化耦合多频段螺旋天线，其特征在于：所述内侧耦合螺旋臂的顶部和底部均采用短路正交的方式进行连接。
9.根据权利要求2所述的自相移馈电的小型化耦合多频段螺旋天线，其特征在于：所述上层自相移环和下层自相移环为圆形环、方形环或多边形环。
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